(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料を必要量だけ小容量に循環制御することにより、電力負荷が必要とする水素生成制御し、組込燃料電池素子の発電電力を安定に制御すると共に、運転に際し、排出物を再利用し、環境負荷の無い燃料電池システムとする。【解決手段】燃料の単位時間当たりの消費量より水素生成量が決まり、組み込み燃料電池素子８で、これに相当する発電電力が得られる。本システムはこの出力制御は、負荷電流１２を、制御指標として検出し、それに相当する燃料制御をすることで、それに応じた生成水素７の量を燃料電池素子８に印加することにより、その発電電力を、変動する電力負荷１３に安定に追従制御し、またシステムの反応過程で生ずる水成分を再利用し、また使用済み燃料（ＮａＢＯ2）を保持しておき前述のように再生燃料として使用するようにし、廃棄物を無くし環境負荷をかけない燃料電池システムを実現する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
組込の燃料電池素子と、該燃料電池素子出力端に並列接続した蓄電素子と、水素を供給するための水素化物を貯蔵する燃料タンクと、水素を加水反応で生成するための水溶化燃料加工部と、水素を反応器で加水反応する水素生成部と、全体機能を制御する制御部よりなり、負荷要求に応じて供給する負荷電流値を制御指標として制御部に取り込み、これを基に、反応器に加える燃料を制御し、生成した水素で、該燃料電池素子を駆動し、その発電電力と蓄電素子の充放電電力と合わせて負荷の要求電力に自動追従する燃料電池システム。
【請求項２】
第１項記載のシステムの運転で順次生じる廃棄物の内、反応器で反応後に生成する使用済み燃料に含まれる水成分を水分離槽で抽出し、また燃料電池素子の運転で、生じる排気中に含まれる水分を凝水器で取り出し、順次再生した水を一時貯水タンクに保有し、前述の水溶化燃料加工用の水として順次再利用し、内部で貯える水の容量を低減し小型に構成した燃料電池システム。
【請求項３】
第２項記載の燃料電池システムにおいて、燃料として水素生成の1／２を担う水を補給搭載することなく、水素化物燃料のみを補給搭載し稼動すると、内部で、該燃料が含有する水素の２倍の水素を生成し、それに相当する電力を得ることが出来る燃料電池システム。
【請求項４】
１項記載の燃料電池システムであって、水素生成部を、触媒が固定された回転板に燃料をパルス状に噴射して水素生成反応し、同時に生じる使用済み燃料を遠心分離する構成とし、その燃料制御の高速応答性能による、負荷の要求電力への追従性能の確保及び、該遠心分離機能により触媒面を常時清浄化し長期安定運転を確保できる構成とした燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料に水素化物を用い、変動負荷に追従して、水素を生成制御し、水素を燃料とする燃料電池より発電電力を供給する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素リチュウムなどの水素化ホウ素化合物は触媒反応により水と反応し、水素を多量に発生する物質として知られている。該反応では生成する水素の1／２は水の分解で生成するため水は重要な燃料源となる。このため内部で水溶化燃料に加工過程で水を多く必要とし、そのための水の確保が必要である。この水を外部から補給搭載するためには大型タンク貯蔵するなどシステムが大型化する弊害がある。下記特許文献１で「燃料電池の水素反応で発生する水蒸気から水を回収し利用する方法」が開示されている。さらにその他の水分の回収を工夫し、水成分の貯蔵に要する容積を最小化し全体システム体積を小型に構成し、その水素を効率良く、安定に、発生制御し、負荷電力変動に追従できる燃料電池システムが期待されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２６４００２
【特許文献２】特開２００５−４７７６５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
１．電力負荷に応じ水素生成制御し、燃料電池の発電電力を電力負荷に安定に追従制御する燃料電池システムとする。
２．運転に際し、本システム稼動に必要な水を回収利用し、水成分の貯蔵に要する体積を最小化し、同時に環境負荷の低い燃料電池システムとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の課題に対しては、図１の基本構成のように、水素化物を燃料タンク１に小容量で収容するため顆粒状の固体状態で貯蔵する。以下、本説明では水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）を、その水素化物として説明する。該水素化物は反応式１のように加水反応することが知られている。特にこの反応は、触媒を作用させると高速で大量に水素を生成する特徴がある。
【０００６】
反応式１：  ＮａＢＨ４  ＋  ２Ｈ２Ｏ  →  ↑  ４Ｈ２  ＋  ＮａＢＯ2
このように本水素化物を水素生成燃料とすると、反応式より燃料の単位時間当たりの消費量より水素生成量が決まり、組み込み燃料電池素子８で、これに相当する発電電力が得られる。本システムはこの出力制御は、負荷電流１２を制御指標として検出し、それに相当する燃料制御をすることで、それに応じた生成水素７の量を燃料電池素子８に印加することにより、その発電電力を、変動する電力負荷１３に安定に追従制御する燃料電池システムとする。
【０００７】
第２の課題に対しては、本システムでは燃料を内部で水溶化燃料５とし、所定量の水素化物２と、所定の濃度とする加水成分４を混合器３で混合し水溶化燃料に加工し反応器６に必要量の燃料を制御し注入するよう構成している。
【０００８】
反応式１では、左辺の水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）１モルに対し反応に必要な水成分（２Ｈ２０）は２モルで示しているが、さらに加水成分４として所定の濃度とするための溶解水分も添加する。左辺にその溶解水分（αＨ２Ｏ）も加えて示すと反応式２のようになる。
【０００９】
反応式２：  ＮａＢＨ４  ＋  （２Ｈ２Ｏ＋αＨ２Ｏ）  →  ↑  ４Ｈ２  ＋  ＮａＢＯ2  ＋  αＨ２Ｏ
この反応式２の左辺第２項が加水成分４である。
【００１０】
反応器６で上記反応式に従い右辺のように水素ガス（４Ｈ２）を発生する。同時に右辺第２項（ＮａＢＯ2  ＋αＨ２Ｏ）が使用済み燃料２０として水分離槽２２に移送し水成分（αＨ２Ｏ）を回収水２３として再利用する。残りのメタホウ酸ナトリウム（ＮａＢ０2）は水分を回収して最小容量とし保持しておき、所定時期に取り出し回収し、別に設ける燃料再生プロセスにて、水素化処理を行い水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）に再生し再び水素生成燃料として再利用する。この再利用は偏在する水素資源を利用して水素化し、何度でも利用可能で資源の有効利用が出来る特徴がある。環境負荷を生じない燃料方式である。
【００１１】
また燃料電池素子８は電解質に高分子イオン交換膜を用いた固体高分子膜型を例として以下具体的に説明する。負極９に供給した反応式２の右辺第１項の４Ｈ２は反応式３のようにイオン化し８Ｈ＋と電子になり正極１０へ至り、同時に１０に於ける発電反応と共に再び４Ｈ２戻り正極反応のため供給された空気等１１に含まれている酸素（２Ｏ2）と結合し（４Ｈ２Ｏ）を生成する。この水成分を含んだ排気１４から、凝水器１５により、その水成分（４Ｈ２Ｏ）を回収水２１として回収する。
【００１２】
反応式３：  （８Ｈ＋  ＋  電子  ）  ＋２Ｏ2  →  ４Ｈ２Ｏ
加水成分４は反応式２の左辺第２項の（２Ｈ２Ｏ＋αＨ２Ｏ）であり、一方回収する水成分は、使用済み燃料２０から回収する回収水２３が反応式２の右辺第３項に示す（αＨ２Ｏ）および燃料電池素子８から排気する水成分の回収水２１が反応式３の右辺に示す（４Ｈ２Ｏ）である。これら回収水２１及び２３は合わせて（４Ｈ２Ｏ  ＋  αＨ２Ｏ）となる。このように本システムで加水成分４として使用する水分量と、全回収水の量の差を見ると回収水の方に不足は無く、ほぼバランス状態である。回収水は一時貯蔵タンク２６に貯蔵し、加水成分４として再利用するシステムとする。
【００１３】
このようにシステムの反応過程で生ずる水成分を再利用し、また使用済み燃料（ＮａＢＯ2）を水分を回収した結果、最小容量にして保持しておき前述のように再生燃料として使用する。このように本システムの運転に際し、再生する廃棄物を内部で回収し、再利用することにより環境負荷をかけない燃料電池システムを実現する。
【発明の効果】
【００１４】
１．燃料の循環において、変動する負荷に対しても、必要とする燃料を刻々制御することにより負荷が必要とする電力に追従することが出来る。
２．加水反応に必要な水成分は内部で回収し、一時貯水タンク２６に貯水し、再使用するため、燃料の一部として外部から補給する必要が無く、水の保全管理のみでよく燃料貯蔵容量及び重量を小型軽量化した燃料電池システムが出来る。
３．燃料として水素生成の1／２を担う水を補給搭載することなく、水素化物（ＮａＢ４）のみを補給搭載し稼動すると、内部で燃料が含有する水素量の２倍の４Ｈ２の水素を生成し、４Ｈ２に相当する電力を得ることが出来る。
４．使用済み燃料に含まれる水分や燃料電池素子が排出する水分を回収し内部で再利用するため、外部に水分排出することを防ぐことが出来る。
５．使用済み燃料に含まれる余分な水成分を回収除去するため、使用済み燃料の保存量が小容量に構成出来る。このためシステム体積が小型に出来る。
６．上記２〜４項のようにして、本システムの運転による排出物を最小限とし、環境負荷が少ないシステムを実現できる。
【実施例１】
【００１５】
本発明の具体化した燃料電池システムの実施例を図２に示す。搭載燃料の貯蔵容量を小型化を目的に、顆粒状の固体水素化物を燃料タンク１に搭載する。水素化物燃料は前述反応式１で示すように、１モルの水素化ホウ素ナトリウムと、２モルの水を加水分解し４モルの水素を生成する。特にこの加水反応はニッケルやコバルト系の触媒により大きく反応促進される。
【００１６】
次にこの燃料方式で発電までのプロセスを説明する。先ず、制御部より燃料作成指令６４を受けて、この燃料は水溶化燃料加工部３ａへ移送する。１に貯蔵した固体燃料を所定量ずつ、ディスペンサー３１で混合器３に供給し、同時に一時貯水タンク２６よりディスペンサー３４で供給された所定量の水成分４を混合し所定濃度の水溶化燃料とする。この混合比は燃料の溶解度より重量％で１０〜４０％が望ましい。該水溶化燃料はディスペンサー３６により燃料バッファータンク３７に注入する。このタイミングは３７の燃料の残量をセンサー３８で検出し、所定量以下に達した時を補給のタイミングと判定し、混合器３で水溶化燃料を生成し燃料バッファータンク３７へ注入動作をする。燃料バッファータンク３７の燃料は水素生成部５０ａへ移送する。反応器５０に、制御指令４６に従い、外部負荷電力に対応する発電電力を発生させる燃料を注入する。
【００１７】
水素生成部を、特許文献２に開示した図３に示す原理構成の水素生成装置を適用する。燃料バッファータンク３７の燃料を加圧ポンプ５１で加圧し、インジェクター５２で所定量の燃料をパルス状に噴射パルス幅制御４６する。このパルスは１秒間に５０パルス程度を、１パルスごとに幅制御し燃料の噴射量を高速で制御応答することが出来る。この燃料パルスを回転板５３の上面の触媒面に噴射し水素生成反応する。同時に生成する使用済み燃料成分を遠心分離５４とするため、使用済み燃料の分離性能が好く、またこの結果本燃料の特有の課題である、触媒が該使用済み燃料に覆われ、反応動作を阻害される問題の要因を払拭し、常に清浄化され安定な水素生成動作が維持できる利点が得られる。
【００１８】
出力電力の制御は負荷の要求電力に追従するよう制御する。このため。発電出力端４０に流れる負荷電流１２を電流検出器４１で検出し制御装置３９に制御指標としてフィードバックし上記燃料パルス幅制御することで燃料を高速制御し発電電力を制御する。この燃料制御により燃料の消費量が変動する。これを受けて燃料水溶化動作はセンサー３８の信号４５を取り込み、順次制御装置３９が制御信号４７を発し所定量を移送するよう操作する。
【００１９】
この間の燃料の制御タイミングと負荷変動への対応動作を図４の時間フロー図で説明する。負荷が負荷６０からその２倍の負荷６１に変動した時を例とすると、反応器５０に注入する燃料はパルス間隔が一定な燃料パルス６２で注入する。そのパルス幅は、前述の負荷検出器４１の検出量に応じパルス幅ｔ１から２ｔ１に幅制御する。この結果、燃料の平均注入量６６のようにｈ１から２ｈ１に制御する。この燃料の消費量の増加は燃料バッファータンク３７の急な燃料減少６５となり、３７の燃料の残量をセンサー検出レベル６３で検知し、混合器３にはt２から１／２ｔ２のように短周期に燃料作成指令６４を発し、２倍の燃料を３７に供給するよう動作する。それに従い生成水素量６７はｈ２から２ｈ２のように増加し、フィルター４４を経て清浄化し組み込みの燃料電池素子８に供給する。燃料電池８は化学反応により生ずるため発電出力６８のように時定数を持ってh３から２h３のように出力が立ち上がる。このため負荷の急変動に対応するため、充放電性能が高い蓄電素子４２を燃料電池８の出力に並列に設け、過渡的に生ずる負荷量６１と発電出力６８の差分は４２より放電電流４３を供給し負荷に出力を追従させる構成とする。蓄電素子は充放電特性がよい大容量コンデンサーや二次電池が望ましい。
【００２０】
このような構成とした本システムの出力は、各反応が１００％反応したときの出力は燃料タンク１から毎秒１gの割で消費する運転状態とすると、反応器６の生成水素７は２．４リットル／秒となり、燃料電池８の出力電力は１４ｋｗ／秒程度とできる。
【００２１】
さらに、本システムの稼動により生じる使用済み燃料や水成分は、以下に説明する方式で回収して再利用するよう構成する。
【００２２】
反応器で水素生成反応した後、前述の反応式２の右辺に示す使用済み燃料（ＮａＢＯ2）と、水溶化燃料を構成した水成分の内、水素生成反応で分解使用された残りの水成分（αＨ２Ｏ）が溶解した状態で水分離槽２２に移送する。移送された成分から水分離膜を通し分離生成した水２３を一時貯蔵タンク２６に貯蔵し加水成分４に再利用する。さらに燃料電池素子８の稼動による排気１４よりそれに含まれる水分を凝水器１５により回収水２１を回収路２５を経て一時貯蔵タンク２６に同様貯蔵し再利用する。これらは前述のように、回収水２１及び２３は合わせて（４Ｈ２Ｏ  ＋  αＨ２Ｏ）となる。このように本システムで加水成分４として使用する水分量と、全回収水の量は、ほぼバランス状態である。このようにして回収水は加水成分４として再利用するシステムとする。
【００２３】
また、加水成分を内部の水分の再利用することにより、反応式１の左辺第２項の（２Ｈ２Ｏ）は、燃料搭載と供に補給する必要が無く、最初の運転に際し所定量の水を供給し、その後の運転には、随時、保全的に該水の管理するものとなる。
【００２４】
このため、反応式１で示すように、燃料として水素化物（ＮａＢＨ４）のみを搭載し、以上のシステムのように再生した水を加水成分として稼動することが出来る。本燃料方式では反応式１で示すように水素を左辺第１項の水素化物（ＮａＢＨ４）１モルと第２項の加水成分（２Ｈ２Ｏ）からそれぞれ２Ｈ２生成する方式としている。以上の状況より、燃料として水素生成の１／２を担う水を補給搭載することなく、水素化物（ＮａＢＨ４）のみを補給搭載し稼動すると、内部で燃料が含有する水素量の２倍の４Ｈ２の水素を生成し、４Ｈ２に相当する電力を得ることが出来る。
【００２５】
さらに使用済み燃料（ＮａＢＯ2）は保持しておき、所定時期に外部に取り出し、別に設ける燃料再生プロセスにて、水素化処理を行い水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）に再生し再び水素生成燃料として再利用する。この再利用は水素資源を原料にして水素化プロセスで処理し、何度でも利用可能で資源の有効利用が出来る特長がある。
【００２６】
また該燃料再生プロセスで消費する水素資源が、本システムで発電する電力に対して１／２の水素資源量の消費で発電できる。このため、単なる水素貯蔵方式に比べ、水素資源を２倍に活用できる燃料電池システムである。
【００２７】
このように燃料資源活用では、水素資源の２倍活用し、装置の稼動に際しては環境負荷を生じないクリ−ンな燃料方式を実現する燃料電池システムとする。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
独立型の電源システムであり、移動する装置など一般の固定電気配線で給電が出来ない装置の駆動電源として使用できる。
【００２９】
さらに環境負荷がなく、地球温暖化低減に有効な動力源として、活用できる。さらにこの利用は温暖化ビジネスに有効な手段となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の基本構成説明図
【図２】実施例
【図３】水素生成の反応器実施例
【図４】動作の時間フロー説明図
【符号の説明】
【００３１】
１    燃料タンク
２    水素化物
３ａ  水溶化燃料加工部
３    混合器
４    加水成分
５    水溶化燃料
６    反応器
７    生成水素
８    組み込みの燃料電池素子
９    負極
１０    正極
１１    空気等
１２    負荷電流
１３    電力負荷
１４    排気
１５    凝水器
２０    使用済み燃料
２１    回収水
２２    水分離槽
２３    回収水
２５    回収路
２６    一時貯蔵タンク
３１    ディスペンサー
３４    ディスペンサー
３６    ディスペンサー
３７    燃料バッファータンク
３８    センサー
３９    制御装置
４０    発電出力端
４１    電流検出器
４２    蓄電素子
４３    放電電流
４４    フィルター
４５    信号
４６    噴射パルス幅制御
４７    制御信号
５０ａ  水素生成部
５０    反応器
５１    加圧ポンプ
５２    インジェクター
５３    回転板
５４    遠心分離
６０    負荷
６１    ２倍の負荷
６２    燃料パルス
６３    センサー検出レベル
６４    燃料作成指令
６５    急な燃料減少
６６    燃料の平均注入量
６７    生成水素量
６８    発電出力
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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